量子成像技術(shù)前沿進展與展望

劉 攀,宋新兵,楊家之,吳清源,張安寧

（1.北京理工大學物理學院量子技術(shù)研究中心,北京 100081;2.北京理工大學物理學院量子調(diào)控與應(yīng)用研究中心,北京 100081)

0 引言

量子成像是一種利用光子間的關(guān)聯(lián)性進行成像的新技術(shù),也稱 “鬼”成像、關(guān)聯(lián)成像。量子成像這一范疇,包括基于糾纏光源的量子成像、基于經(jīng)典光源的量子成像、主動光場調(diào)制的量子成像等三大技術(shù)路線。

量子成像最基本的框架是:光源發(fā)出的光被分為兩路,其中一路光經(jīng)過待成像物體,并由一個無空間分辨能力的單探測器在物體后方接收信號,這路常被稱為信號光路;另外一路光被一個具有空間分辨能力的探測器接收,該路常被稱為參考光路。對兩路探測器接收到的信號進行關(guān)聯(lián)運算,就能得到物體的圖像。基于糾纏光源和經(jīng)典光源的量子成像都是基于這一框架的。而主動光場調(diào)制的量子成像使用了傳統(tǒng)量子成像研究中發(fā)展出的一種新的量子技術(shù)——光場調(diào)制技術(shù),它使量子成像上升到了一個新的臺階,并發(fā)展出了單像素成像、單光子掃描成像和非視域成像三種新型成像方式。

本文將以量子成像的三大技術(shù)路線為主要線索,來回顧量子成像技術(shù)的起源和發(fā)展歷程,綜述量子成像技術(shù)的前沿進展,展望量子成像技術(shù)的未來。

1 量子成像的起源和主要發(fā)展歷程

量子成像誕生之初僅指的是基于糾纏光源的量子成像,它由美國Maryland大學的史硯華團隊在1995年首次實現(xiàn)[1]。如圖1（a)所示,激光泵浦BBO晶體產(chǎn)生糾纏光子對,兩個光子被分開后,其中一個光子通過物體,并被放置在信號光路的無空間分辨能力的桶探測器所檢測;另一個光子被放置在參考光路的平面掃描裝置來探測。只單獨探測其中一路的光子是無法恢復出物體圖像的,然而當兩路進行雙光子符合測量時,竟奇跡般地復現(xiàn)出了高對比度的物體圖像,如圖1（b)所示。這項違反人們直覺的實驗,證實了糾纏的雙光子具有非定域成像的特性。這種基于糾纏光的量子成像方式具有高對比度的優(yōu)點,但由于糾纏光難以制備且糾纏光源亮度低、探測效率低、易受雜散光影響等因素,糾纏光量子成像在實驗室以外的實現(xiàn)和應(yīng)用受到了限制。

圖1 糾纏光量子成像原理圖與實驗結(jié)果圖Fig.1 Schematic diagram and experiment results of quantum imaging with entangled light

隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)糾纏的雙光子并不是量子成像的必要條件,非相干的經(jīng)典光源也可以實現(xiàn)量子成像。2002年,美國Rochester大學的Boyd團隊利用由隨機旋轉(zhuǎn)的反射鏡和斬波器調(diào)制的激光光場得到了與糾纏光量子成像相似的實驗結(jié)果[2],實驗的光路圖如圖2所示。該實驗首次利用經(jīng)典光之間的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)了量子成像,使經(jīng)典光量子成像也被囊括進量子成像的范疇之內(nèi)。2005年,美國Maryland大學的史硯華與意大利Insubria大學的Lugiato幾乎同時實現(xiàn)了贗熱光量子成像[3-4],尤其是Lugiato實現(xiàn)了點對點的量子成像。同年,中科院物理所的吳令安團隊首次實現(xiàn)了真熱光的量子成像[5],使用的是銣燈光源。（贗)熱光量子成像所需的熱光光源容易獲取,且具有抗湍流、穿云霧的能力,這使得（贗)熱光量子成像具有廣闊的發(fā)展前景。

圖2 經(jīng)典光量子成像原理圖Fig.2 Schematic diagram of quantum imaging with classical light

傳統(tǒng)的贗熱光量子成像必須在參考光路放置陣列探測器來記錄散斑圖案,且須對兩路光進行符合測量,如圖3（a)所示。2009年,以色列Weizmann科學院的Silberberg團隊在實驗上實現(xiàn)了計算量子成像[6]。實驗中,他們用了一個由計算機控制的空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator,SLM)來預(yù)置照射在物體上的光場分布,如圖3（b)所示。這種方法照射到物體上的散斑圖案已知,所以無需參考光路及陣列探測器。由于光場是主動加載的而不是隨機生成,并且單探測器的響應(yīng)速度快,計算量子成像的方式大大降低了采樣的時間,提高了成像的速度。

圖3 傳統(tǒng)量子成像與計算量子成像的對比Fig.3 Comparison between traditional quantum imaging and computational quantum imaging

關(guān)于量子成像的物理本質(zhì),曾引發(fā)過學術(shù)界的激烈爭論,學者們爭論的焦點為:經(jīng)典光量子成像究竟是一種量子非局域效應(yīng)還是經(jīng)典關(guān)聯(lián)效應(yīng)。最激烈的爭論還要數(shù)2012年Shapiro、Boyd和史硯華三人曾圍繞著這一焦點連發(fā)三篇文章展開的辯論[7-9]:Shapiro和Boyd認為,贗熱光量子成像是由信號光路與參考光路的經(jīng)典散斑圖案的關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)的,可以利用經(jīng)典的關(guān)聯(lián)理論來定量解釋;而史硯華認為,贗熱光量子成像本質(zhì)上是一種量子效應(yīng),信號光路與參考光路的點對點成像關(guān)聯(lián)性來自于一種非局域干涉效應(yīng),必須用量子力學的非局域效應(yīng)才能得以解釋。至今,人們普遍認為糾纏光量子成像的本質(zhì)是糾纏光的非局域特性所致,而對于經(jīng)典光量子成像本質(zhì)的爭論仍在持續(xù)。

2 量子成像技術(shù)前沿進展

2.1 基于糾纏光源的量子成像

2014年,奧地利科學院的Zeilinger團隊完成了一種新型的糾纏光量子成像實驗[10]。實驗中,他們沒有對糾纏光中照射到物體一路的光子進行檢測,而僅僅使用CCD探測了另一路的光子,不需要進行符合測量即可構(gòu)建出物體的圖像。圖4（a)為實驗光路圖,532nm 的激光（在圖 4（a)中為綠色)被分為兩路,分別泵浦非線性晶體1和2,參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了810nm的信號光（在圖4（a)中為黃色)和1550nm的閑置光（在圖4（a)中為紅色)。非線性晶體1產(chǎn)生的閑置光通過物體,在二向色鏡2反射后與非線性晶體2產(chǎn)生的閑置光重合,最后從二向色鏡5出射的閑置光無法分辨是從哪個晶體產(chǎn)生,因此入射到分束器的兩束包含物體信息的信號光會在EMCCD上發(fā)生干涉,實驗結(jié)果如圖4（b)所示。圖4（b)中,左上角為EMCCD探測到的顯示入射到分束器的兩束信號光相長和相消的干涉圖案,右上角為物體,左下角與右下角為將左上角中兩強度圖相加和相減之后的結(jié)果。

圖4 新型糾纏光量子成像的實驗光路圖與實驗結(jié)果Fig.4 Experimental setup and results of novel quantum imaging with entangled light

具有螺旋波前的渦旋光束,于1992年被Allen等證實其中的每個光子都攜帶有軌道角動量[11],在提高信道容量方面有良好的應(yīng)用前景。2014年,廈門大學的陳理想等將數(shù)字螺旋成像技術(shù)應(yīng)用于糾纏光量子成像[12],通過在信號光路上用一SLM加載所需探測的相位物體并生成渦旋光,在參考光路用另一SLM加載相位物體作為渦旋光探針,兩路做符合測量,成功實現(xiàn)了純相位物體的非定域探測和渦旋光軌道角動量譜的非定域測量,圖5為其實驗原理圖。

圖5 量子數(shù)字螺旋成像實驗原理圖Fig.5 Schematic diagram of quantum digital spiral imaging experiment

光纖因其頻帶寬、損耗低、質(zhì)量小、成本低、抗干擾能力強等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。但由于單模光纖難以實現(xiàn)位置-位置或動量-動量的關(guān)聯(lián)分布,利用光纖實現(xiàn)遠距離的糾纏光量子成像一直以來都是一個難題。2016年,清華大學的張巍等提出了一種通過光纖傳輸來實現(xiàn)長距離糾纏光量子成像的方法[13]。這種方法利用時間色散和空間色散,巧妙地將光子的頻率關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換為了傳播時間與傳播方向的關(guān)聯(lián),從而能夠在時域上實現(xiàn)糾纏光量子成像。之后,他們通過50km長的光纖完成了長距離糾纏光量子成像的實驗。實驗示意圖如圖6所示,糾纏光源產(chǎn)生具有頻率關(guān)聯(lián)的光子對,分別傳給Alice端和Bob端,在Alice端通過光柵進行空間色散,在Bob端通過光纖的群速色散來進行時間色散,兩端分別用單光子探測器1和2檢測光子,并進行符合測量。

圖6 長距離光纖量子成像實驗原理圖Fig.6 Schematic diagram of long-distance optical fiber quantum imaging experiment

2020年,廈門大學的陳理想團隊提出了一套多信道并行量子成像的方案[14]。與以往只利用雙光子空間糾纏的量子成像不同,他們的成像方案是使光子對在偏振、頻率和空間模式上同時發(fā)生糾纏。他們利用偏振和頻率的糾纏來進行信道的復用,并通過空間模式糾纏在每個信道并行傳輸物體的 “鬼”像,從而擴大了信道容量,實現(xiàn)了多信道的并行量子成像,這項實驗將為未來量子通信領(lǐng)域中大規(guī)模的圖像處理和傳輸開創(chuàng)新途徑。

2.2 基于經(jīng)典光源的量子成像

使用多種經(jīng)典熱光源來實現(xiàn)量子成像有著重要的意義。但在2014年以前,無論是使用旋轉(zhuǎn)毛玻璃的贗熱光量子成像,還是使用銣燈的真熱光量子成像,都是使用人造光源來實現(xiàn)的。2014年,中科院物理所的吳令安等首次利用太陽光這一自然光源實現(xiàn)了無透鏡量子成像[15],成像原理圖如圖7所示。由于太陽光是一種易獲取、廉價的熱光源,這項研究使得熱光量子成像技術(shù)從實驗到實際應(yīng)用更近了一步。

圖7 太陽光無透鏡量子成像原理圖Fig.7 Schematic diagram of lensless quantum imaging with sunlight

近年來,因材料成像和醫(yī)學成像的需求,研究人員探索了使用X射線作光源的量子成像。2016年,中科院上海光機所的韓申生等首次使用X射線實現(xiàn)了量子成像[16]。首先,他們用贗熱硬X射線通過Fourier變換量子成像的方法得到了樣品的Fourier變換衍射圖樣,并得到了樣品在坐標空間的振幅和相位的分布圖。他們的X射線無透鏡Fourier變換量子成像方法不光可以用于晶體樣品,也可適用于非晶體樣品。與韓申生幾乎同時地,2016年,澳大利亞皇家Melbourne理工大學的Pelliccia等首次使用硬X射線直接實現(xiàn)了量子成像[17],為醫(yī)學成像領(lǐng)域中減少輻射對樣品的損傷提供了一種新的方法。

由于較高的光子能量會嚴重損害成像物體,在保證圖像質(zhì)量的同時降低輻射量是一個亟待解決的問題。2018年,中科院物理所的吳令安團隊利用一個簡單的桌面X射線源實現(xiàn)了平面物體和自然物體的量子成像[18]。這種新裝置成本低,操作簡單,在低輻射量下與X射線投影成像相比具有更高的信噪比,可以實現(xiàn)超低通量的成像,從而大大降低了對生物樣品的輻射損傷。

對于運動物體的量子成像,短時間內(nèi)采樣數(shù)的不足常使成像質(zhì)量模糊。2014年,中科院上海光機所的李恩榮團隊提出了一種對運動速度未知的物體量子成像方法[19],但這種方法只能對勻速運動的物體成像。2019年,國防科技大學的劉偉濤團隊提出,可以通過一系列不清晰的圖像之間的關(guān)聯(lián)來估計運動物體的位移信息,從而重建運動物體的高質(zhì)量圖像[20]。他們巧妙利用運動物體的一些特點,將短時間內(nèi)的物體視為準靜止,先經(jīng)過少量采樣獲得模糊圖像,用不同時段模糊圖像的關(guān)聯(lián)性獲得物體的位移,再將模糊圖像根據(jù)位移來疊加從而得到清晰圖像,實驗結(jié)果如圖8所示。這種成像方法需要的采樣數(shù)較少,可對高速移動的物體或暗環(huán)境下的物體進行采樣與成像。

圖8 運動物體量子成像的實驗結(jié)果圖Fig.8 Experiment results of quantum imaging of moving objects

2019年,英國Exeter大學的Bertolotti等進行了 “盲”量子成像的實驗[21]。在 “盲”量子成像提出之前,人們普遍認為,計算量子成像需要知道全部的照明模式才行,如果所有照明模式形成一組基,就可以重建物體的像。但是,Bertolotti等的實驗證明,可以在不知道照射在物體上的散斑圖案,但知道與它關(guān)聯(lián)的圖案的情況下實現(xiàn)量子成像。如圖9所示,散射層是液體,產(chǎn)生隨時間隨機變化的散斑圖樣,反射散斑圖形成在散射介質(zhì)的表面,并使用CCD記錄散斑,在物體后方使用單像素的桶探測器進行記錄。除此之外,他們還在實驗上只利用沒有與物體發(fā)生相互作用的反射光,重建了隱藏在散射介質(zhì)后面的物體的圖像,實現(xiàn)了對物體的非侵入式探測。如圖10所示,分辨率模板放置在散射材料的后面,在它的后方有一個熒光層作為物體,在450nm的激光下產(chǎn)生500nm以上的熒光,反射的散斑和熒光分別由CCD和桶探測器收集。

圖9 兩探測器在物體不同側(cè)的 “盲”量子成像Fig.9 Blind quantum imaging of two detectors on different sides of the object

圖10 兩探測器在物體同一側(cè)的 “盲”量子成像Fig.10 Blind quantum imaging of two detectors on the same side of the object

2019年,中科院上海光機所的韓申生和上海高等研究院的王中陽等開發(fā)出了基于稀疏約束量子成像的單幀寬視場納米顯微鏡[22]。這種量子成像納米顯微鏡通過壓縮感知重建物體的像,利用熒光發(fā)射的稀疏性,成像分辨率被成功提高到了80nm,并且可以實現(xiàn)超快的時間分辨,因此可用于活細胞的觀察和微觀動力學的研究。

2.3 主動光場調(diào)制的量子成像

計算量子成像中所使用到的光場調(diào)制技術(shù)為成像和探測提供了一種全新的思路。人們在研究中發(fā)現(xiàn),通過光場調(diào)制這一新的量子技術(shù),利用SLM或者掃描振鏡來調(diào)制照射光場或探測光場并結(jié)合算法,可以在欠采樣的情況下進行成像或是實現(xiàn)超越傳統(tǒng)成像技術(shù)探測能力極限的成像,進而衍生出了單像素成像、單光子掃描成像和非視域成像三種新技術(shù)。這三種成像技術(shù)之間的關(guān)系并不是相互割裂的,而是可以相互融合,相互包含,互通有無。

（1)單像素成像技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的進步,相機所使用的陣列感光器件已達到上千萬甚至上億的像素。但是,逐漸增加的像素數(shù)量也加重了數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)移的負擔。而單像素成像技術(shù)使用僅有一個像素的探測器,就能實現(xiàn)成像的功能。相比于陣列探測器,單像素探測器的響應(yīng)速度極快,并且靈敏度高。單像素成像的技術(shù)路線有前調(diào)制型和后調(diào)制型兩種。如圖11所示,前調(diào)制型（也稱結(jié)構(gòu)照明)是在物體前放置SLM,用一組調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光照射物體,在物體后用單像素探測器記錄光強,這種成像方式也就是上文中介紹過的計算量子成像;后調(diào)制型（也稱結(jié)構(gòu)探測)則為在物體后放置SLM,探測器用來接收一組被調(diào)制后的物體像的光強[23-24]。

圖11 基于SLM的兩種單像素成像方案Fig.11 Two schemes of single-pixel imaging based on SLM

一般而言,單像素成像的數(shù)據(jù)采集過程需要耗費相當長的時間。2009年,以色列Weizmann科學院的Katz等提出了基于壓縮感知的單像素成像的方法[25],壓縮感知的方法可以在欠采樣的情況下重建物體的圖像。在單像素成像時,一般將待成像物體的二維圖像看作矩陣,并將不同行首尾相接轉(zhuǎn)換為列向量x。如果將采樣矩陣設(shè)為A,A的每一行相對于向量x,為照射在物體上的掩模圖案。當不同掩模照明時,探測器接收到的光強構(gòu)成列向量y,則有

在欠采樣的情況下,式（1)所表示的線性方程組顯然有無數(shù)組解,這時候就需利用圖像的稀疏性等條件進行約束,即可解出列向量x,這就是壓縮感知的方法[26-27]。SLM所調(diào)制的照明圖案一般選擇正交的基底,如Fourier基底、Hadamard基底、余弦基底、小波變換基底等。

單像素成像技術(shù)也可用于三維成像。相比于二維的單像素成像,三維單像素成像除記錄光強外,還需獲取光子的到達時間信息,進而通過關(guān)聯(lián)運算的方法得到場景中每一點的深度信息和反射率[28]。2016年,英國Glasgow大學的Padgett等使用結(jié)構(gòu)光照明和單像素探測器,利用飛行時間進行了第三維度的測量,實現(xiàn)了高精度的三維單像素成像,精確度可達到約3mm,并能夠生成12Hz的實時三維視頻[29],實驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 三維單像素成像實驗結(jié)果Fig.12 Experiment results of 3D single-pixel imaging

在水下環(huán)境中,介質(zhì)中雜質(zhì)的吸收和散射會嚴重影響遠距離光學成像的性能。2017年,西安交通大學的鄭淮斌等設(shè)計實驗研究了在水下環(huán)境中不同渾濁程度和不同角度下結(jié)構(gòu)照明式單像素成像的性能[30]。他們的實驗表明,當水質(zhì)相當渾濁以至于傳統(tǒng)的光學方法無法成像時,單像素成像仍然可以具有相當不錯的成像效果。

在以往結(jié)構(gòu)光照明的方案中,通常是采用SLM或數(shù)字微鏡（Digital Micromirror Device,DMD)來進行調(diào)制。其中,DMD的調(diào)制速率最快,約為幾十千赫茲（kHz)。2018年,北京航空航天大學的孫鳴捷等提出了基于超高速發(fā)光二極管（Light-emitting Diode,LED)的結(jié)構(gòu)照明技術(shù),并利用此技術(shù)完成了單像素成像實驗[31],成像原理圖如圖13所示。LED具有高速響應(yīng)的特性,在他們實驗中能以500kHz的速率來高速調(diào)制照明光場,這遠大于DMD的調(diào)制速率,極大地提升了結(jié)構(gòu)照明單像素成像的速度,在連續(xù)成像實驗中的幀率可達1000fps。

圖13 基于LED結(jié)構(gòu)照明的單像素成像原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of single-pixel imaging based on LED structure illumination

2020年,北京理工大學的張安寧團隊在實驗室利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子作為單光子源,采用DMD對單光子波包進行調(diào)制,分別實現(xiàn)了單光子作為光源的前調(diào)制型和后調(diào)制型單像素成像[32]。實驗表明,當光源亮度低至0.01光子/像素時,依然可以完成單像素成像,在光照強度相同的情況下,單光子作為光源的成像質(zhì)量要優(yōu)于激光光源的。圖14（a)為成像模板,圖14（b)為不同光子數(shù)下后調(diào)制型單像素成像的結(jié)果,圖14（c)為不同光子數(shù)下前調(diào)制型單像素成像的結(jié)果。其中,圖14（b)與圖14（c)中右側(cè)成像結(jié)果的光強低至0.01光子/像素。

圖14 成像模板與單光子單像素成像的實驗結(jié)果Fig.14 Imaging template and experiment results of single-photon single-pixel imaging

2020年,上海交通大學的曾貴華等開發(fā)了一種新型的結(jié)構(gòu)探測式弱光單像素成像技術(shù)[33]。這項技術(shù)可實現(xiàn)在信號采集時每一幀只需要發(fā)射一個激光脈沖,并具有較高的光子效率和成像質(zhì)量。同時,他們利用這項技術(shù)實現(xiàn)了100km合作目標和3km非合作目標的遠距離成像,成像光強低至0.01光子/像素。其中,100km的成像結(jié)果如圖15 所示。

圖15 弱光單像素100km成像實驗結(jié)果Fig.15 Experiment results of weak light single-pixel 100km imaging

（2)單光子掃描成像技術(shù)

單光子掃描成像技術(shù)利用激光器主動發(fā)射激光到目標物體上,使用掃描振鏡調(diào)制光場來對物體表面各點進行掃描,通過探測和處理物體的散射光信號,即可得到物體的反射率和深度信息,從而重建出物體的三維圖像。當目標物體距探測系統(tǒng)較遠時,從目標返回的光強將低至單光子的水平,需要利用單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD)進行探測。單光子探測技術(shù)不僅可以使探測靈敏度達到單光子的水平,而且可以達到皮秒（ps)級的時間分辨率,這些使得單光子掃描成像技術(shù)兼具優(yōu)秀的探測性能和距離分辨能力。

2020年,中科大的徐飛虎團隊使用1550nm的脈沖激光器和掃描振鏡,采用亞像素掃描的方法在45km的距離上完成了有源單光子三維成像的實驗[34],實驗中探測到的信號強度低至平均約1光子/像素。為了克服只有極少返回的光子以及信號與強噪聲耦合的困難,他們構(gòu)建了一套高效率低噪聲的同軸單光子掃描成像系統(tǒng),并開發(fā)了一套適用于遠距離單光子掃描成像的重建算法。圖16（a)與圖16（b)分別為實驗系統(tǒng)示意圖和重建結(jié)果,建筑物上0.6m寬的窗戶在重建結(jié)果中清晰可見。

圖16 45km遠距離三維單光子掃描成像實驗系統(tǒng)與重建結(jié)果Fig.16 Experiment system and reconstruction result of 45km long-distance 3D single-photon scanning imaging

2021年,該團隊又實現(xiàn)了201.5km的遠距離三維單光子掃描成像[35],平均每像素接收到的光子數(shù)低至0.44。相比于之前的45km的單光子掃描成像,他們對SPAD進行了改造,使用制冷器將負反饋雪崩二極管冷卻至173K,以實現(xiàn)較低的暗計數(shù)率。其次,他們對望遠鏡進行了鍍膜處理,實現(xiàn)了1550nm的高透射率。同時,他們采用先進的噪聲抑制技術(shù),開發(fā)了一種時間濾波方法來抑制噪聲。201.5km的單光子掃描成像結(jié)果如圖17所示。

圖17 201.5km單光子掃描成像的重建結(jié)果Fig.17 Reconstruction results of 201.5km single-photon scanning imaging

（3)非視域成像

非視域成像是一種對觀察者視域之外的物體進行成像的方式,基本原理是:主動發(fā)射一束光,通過墻和隱藏物體的多次漫反射探測返回來的光子。如圖18所示[36],簡單來說,激光首先打到墻上,經(jīng)過漫反射過程而彌散到整個空間（第一次漫反射),然后光打到隱藏的物體上,再從隱藏的物體返回（第二次漫反射),然后通過墻回來（第三次漫反射)而被探測器接收,之后配合計算成像的算法對接收到的光信號進行處理,即可重建物體的圖像。非視域成像技術(shù)將在軍事反恐、自動駕駛、災(zāi)害救援、醫(yī)學檢測等方面具有巨大的應(yīng)用價值。

圖18 非視域成像場景示意圖(俯視圖)Fig.18 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging scene(top view)

2018年,美國Stanford大學的O，Toole等提出了基于光錐變換的共焦非視域成像方法,實現(xiàn)了對復雜目標物的快速重建[37],實驗裝置和重建結(jié)果如圖19所示。他們的成像算法通過Wiener濾波降低了噪聲,具有較高的重建質(zhì)量和較快的重建速度。

圖19 共焦非視域成像實驗裝置與重建結(jié)果Fig.19 Experiment setup and reconstruction results of confocal non-line-of-sight imaging

2019年,英國Glasgow大學的Musarra等通過使用高效率的SPAD探測器和DMD,將反投影成像算法與從單像素相機所獲取的高分辨率飛行時間信息相結(jié)合,對隱藏場景的三維圖形進行了全彩色成像[38],圖20為他們的實驗原理示意圖。

圖20 使用DMD的非視域成像原理圖Fig.20 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging using DMD

2021年,中科大的徐飛虎團隊研制了一種高效率低噪聲的近紅外非視域成像系統(tǒng),并創(chuàng)新采用了一種凸優(yōu)化算法,實現(xiàn)了超過1.43km的非視域成像[39],可達到厘米（cm)級別的分辨率,這項成果對于非視域成像在戶外和遠距離上的應(yīng)用有著重大意義。

3 量子成像新方案——基于非光子粒子的量子成像

2016年,澳大利亞國立大學的Truscott團隊首次實現(xiàn)了使用大質(zhì)量粒子的量子成像[40]。在他們的實驗中,用于量子成像的不是通常使用的糾纏光子對,而是具有強關(guān)聯(lián)的原子對。這兩個強關(guān)聯(lián)原子是由兩個Bose-Einstein凝聚體碰撞所形成的s波散射產(chǎn)生的超冷亞穩(wěn)態(tài)氦原子對,并在實驗中使用高階Kapitsa-Dirac散射大量產(chǎn)生,利用這些原子對重建了亞毫米級別分辨率的清晰圖像。原子的量子成像示意圖如圖21所示,在碰撞中產(chǎn)生兩束關(guān)聯(lián)原子對,一束原子通過待成像物體O由桶探測器B檢測;另一束原子不與物體相互作用,而是由多像素探測器M檢測其到達平面的位置,之后裝置C經(jīng)過符合測量和計算,重建物體的圖像。這些實驗中的相關(guān)技術(shù)可以實現(xiàn)基于大質(zhì)量粒子的EPR糾纏實驗以及檢驗Bell不等式等,以驗證量子力學的基本原理。

圖21 基于原子的量子成像實驗示意圖Fig.21 Schematic diagram of quantum imaging based on atoms

在這之后,2018年,美國SLAC國家加速器實驗室的Li等通過調(diào)制產(chǎn)生電子束的激光來間接調(diào)制電子束,實現(xiàn)了由電子代替光子的量子成像[41]。與使用電子束直接成像相比,該方法擁有更少的電子束劑量,能減少采樣時間和對樣品的損傷。2020年,澳大利亞國立大學的Kingston等利用中子完成了量子成像的實驗[42]。中子具有不帶電、波長短、穿透性強、對輕元素靈敏等特性,因而中子的量子成像在高分辨率無損檢測中具有重要意義。

4 總結(jié)與展望

量子成像技術(shù)是一種物像分離、抗干擾能力強的成像技術(shù)。本文回顧了量子成像技術(shù)的起源及主要發(fā)展歷程,綜述了近8年糾纏光源和經(jīng)典光源量子成像技術(shù)的主要進展,介紹了由光場調(diào)制技術(shù)衍生出的單像素成像、單光子掃描成像及非視域成像等量子成像的發(fā)展趨勢,概述了非光子粒子的量子成像這一量子成像新方案。量子成像技術(shù)不僅加深了人們對量子力學的理解,同時也在遙感成像、三維成像、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

通過上述的進展,可以總結(jié)出量子成像技術(shù)亟待解決的問題:1)對于糾纏光量子成像,如何制備高亮度的糾纏光源,從而擺脫實驗室的環(huán)境,在戶外實現(xiàn)糾纏光的高分辨率量子成像;2)對于經(jīng)典光量子成像和基于光場調(diào)制的量子成像,如何優(yōu)化成像系統(tǒng)來提高采樣和成像速度以及如何利用算法提高光子利用效率,通過微弱光強信號實現(xiàn)更高分辨率、更高信噪比的成像。

在未來,量子成像技術(shù)勢必突飛猛進,日新月異:

1)糾纏光量子成像技術(shù)將對糾纏光子的多個信息維度進行擴展,將偏振、路徑、頻率以及軌道角動量等維度加以利用,從而增強對目標物體的探測能力。

2)經(jīng)典光量子成像和非光子粒子的量子成像,它們相比于傳統(tǒng)成像,具有可以對樣品在低通量輻射下進行成像等優(yōu)勢,能夠降低對樣品的輻射損傷。因此,它們未來會朝材料成像、醫(yī)學成像、顯微成像和無損檢測的方向飛速發(fā)展。

3)將光場調(diào)制技術(shù)運用于成像,是人類探測能力的一次飛躍,主動光場調(diào)制的量子成像技術(shù)路線必將走得更遠。單像素成像的方式具有更高的光子效率和更低的噪聲;相比陣列探測器,單探測器具有更短的響應(yīng)時間;單探測器成本低,更換單探測器就可以低成本地實現(xiàn)多波段的探測;單像素成像技術(shù)能夠在欠采樣的情況下實現(xiàn)對目標的成像,并且一些圖像恢復算法在一定程度上具有抗噪聲、抗湍流的功效。所以,單像素相機將會在極端環(huán)境下代替CCD,成為在星地遙感、水下成像、極弱光成像中的新一代探測裝置。除此之外,單像素成像技術(shù)今后可能會與機器學習相結(jié)合,在極低采樣率下無需做到成像,就能實現(xiàn)對目標的邊緣檢測或獲取目標的其他重要信息。未來,單光子掃描成像和非視域成像技術(shù)將會在探測距離、分辨率等技術(shù)指標上不斷實現(xiàn)更高的突破,并深度應(yīng)用于三維遙感探測、軍事戰(zhàn)場和反恐行動之中。